เรียนรู้เกี่ยวกับพลังงาน

วัสดุตัวเร่งปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาเคมีโดยไม่ต้องทำการเปลี่ยนแปลงตัวเอง มีความสำคัญต่อการกลั่นผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมและสำหรับการผลิตยา พลาสติก วัตถุเจือปนอาหาร ปุ๋ย เชื้อเพลิงสีเขียว เคมีอุตสาหกรรม และอื่นๆ อีกมากมาย นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรใช้เวลาหลายทศวรรษในการปรับปฏิกิริยาการเร่งปฏิกิริยาอย่างละเอียด แต่เนื่องจากในปัจจุบันยังเป็นไปไม่ได้ที่จะสังเกตปฏิกิริยาเหล่านั้นโดยตรงที่อุณหภูมิและแรงกดดันสูงซึ่งมักเกี่ยวข้องกับการเร่งปฏิกิริยาในระดับอุตสาหกรรม พวกเขาจึงยังไม่ทราบแน่ชัดว่าเกิดอะไรขึ้นกับนาโน และเครื่องชั่งอะตอม งานวิจัยชิ้นใหม่นี้ช่วยคลี่คลายความลึกลับนั้นด้วยการแบ่งสาขาที่สำคัญที่อาจเกิดขึ้นกับอุตสาหกรรม ในความเป็นจริง ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาเพียง 3 ปฏิกิริยา ได้แก่ ไอน้ำ-มีเธนที่ปฏิรูปเพื่อผลิตไฮโดรเจน การสังเคราะห์แอมโมเนียเพื่อผลิตปุ๋ย และการสังเคราะห์เมทานอล ใช้พลังงานเกือบ 10% ของโลก Manos Mavrikakis ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีและชีวภาพกล่าวว่า "ถ้าคุณลดอุณหภูมิที่คุณต้องดำเนินปฏิกิริยาเหล่านี้ลงเพียงไม่กี่องศา ความต้องการพลังงานที่เราเผชิญในฐานะมนุษย์ทุกวันนี้จะลดลงอย่างมาก" UW-Madison ซึ่งเป็นผู้นำการวิจัย "การลดความต้องการพลังงานในการดำเนินกระบวนการทั้งหมดนี้ คุณกำลังลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมด้วย" Mavrikakis และนักวิจัยหลังปริญญาเอก Lang Xu และ Konstantinos G. Papanikolaou พร้อมด้วยนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Lisa Je ได้เผยแพร่ข่าวความก้าวหน้าของพวกเขาในวารสารScience ฉบับวันที่ 7 เมษายน 2023 ในการวิจัยของพวกเขา วิศวกรของ UW-Madison พัฒนาและใช้เทคนิคการสร้างแบบจำลองที่ทรงพลังเพื่อจำลองปฏิกิริยาการเร่งปฏิกิริยาในระดับอะตอม สำหรับการศึกษานี้ พวกเขาพิจารณาปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะทรานซิชันในรูปแบบอนุภาคนาโน ซึ่งรวมถึงองค์ประกอบต่างๆ เช่น แพลทินัม แพลเลเดียม โรเดียม ทองแดง นิกเกิล และอื่นๆ ที่สำคัญในอุตสาหกรรมและ พลังงาน สีเขียว ตามแบบจำลองพื้นผิวแข็งในปัจจุบันของการเร่งปฏิกิริยา อะตอมที่อัดแน่นของตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะทรานซิชันให้พื้นผิว 2 มิติที่สารตั้งต้นเคมีเกาะติดและมีส่วนร่วมในปฏิกิริยา เมื่อมีแรงดันและความร้อนหรือไฟฟ้าเพียงพอ พันธะระหว่างอะตอมในสารตั้งต้นเคมีจะแตกออก ทำให้ชิ้นส่วนรวมตัวกันใหม่เป็นผลิตภัณฑ์เคมีใหม่ Mavrikakis กล่าวว่า "ข้อสันนิษฐานทั่วไปคืออะตอมของโลหะเหล่านี้มีพันธะที่แข็งแรงซึ่งกันและกันและเพียงแค่ให้ 'จุดเชื่อมโยงไปถึง' สำหรับสารตั้งต้น สิ่งที่ทุกคนสันนิษฐานคือพันธะโลหะกับโลหะยังคงไม่เสียหายในระหว่างปฏิกิริยาที่พวกเขาเร่งปฏิกิริยา" Mavrikakis กล่าว "ในที่นี้ เป็นครั้งแรกที่เราถามคำถามว่า 'พลังงานในการสลายพันธะในสารตั้งต้นจะมีปริมาณใกล้เคียงกับพลังงานที่จำเป็นในการสลายพันธะภายในตัวเร่งปฏิกิริยาหรือไม่'" ตามแบบจำลองของ Mavrikakis คำตอบคือใช่ พลังงานที่จัดเตรียมไว้สำหรับกระบวนการเร่งปฏิกิริยาจำนวนมากนั้นเพียงพอที่จะทำลายพันธะและปล่อยให้อะตอมโลหะเดี่ยว (เรียกว่าอดาอะตอม) หลุดออกและเริ่มเดินทางบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา อะดาอะตอมเหล่านี้รวมกันเป็นกระจุกซึ่งทำหน้าที่เป็นจุดบนตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งปฏิกิริยาเคมีสามารถเกิดขึ้นได้ง่ายกว่าพื้นผิวเดิมที่แข็งของตัวเร่งปฏิกิริยา ด้วยการใช้ชุดการคำนวณพิเศษ ทีมงานได้พิจารณาอันตรกิริยาที่สำคัญทางอุตสาหกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะทรานซิชัน 8 ตัวและสารตั้งต้น 18 ตัว ระบุระดับพลังงานและอุณหภูมิที่น่าจะก่อตัวเป็นกระจุกโลหะขนาดเล็ก เช่นเดียวกับจำนวนอะตอมในแต่ละกลุ่ม ซึ่งยังสามารถ ส่งผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาอย่างมาก ผู้ร่วมงานทดลองของพวกเขาที่มหาวิทยาลัยแห่งแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ ใช้กล้องจุลทรรศน์อุโมงค์สแกนที่ได้รับการแก้ไขโดยอะตอม เพื่อดูการดูดซับคาร์บอนมอนอกไซด์บนนิกเกิล (111) ซึ่งเป็นรูปแบบผลึกที่เสถียรของนิกเกิลที่มีประโยชน์ในการเร่งปฏิกิริยา การทดลองของพวกเขายืนยันแบบจำลองที่แสดงข้อบกพร่องต่างๆ ในโครงสร้างของตัวเร่งปฏิกิริยา นอกจากนี้ยังสามารถมีอิทธิพลต่อการที่อะตอมของโลหะเดี่ยวหลุดออก เช่นเดียวกับการเกิดปฏิกิริยาของไซต์ Mavrikakis กล่าวว่ากรอบการทำงานใหม่กำลังท้าทายรากฐานของวิธีที่นักวิจัยเข้าใจถึงการเร่งปฏิกิริยาและวิธีการเกิดขึ้น อาจนำไปใช้กับตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ใช่โลหะอื่นๆ ด้วย ซึ่งเขาจะตรวจสอบในงานในอนาคต นอกจากนี้ยังเกี่ยวข้องกับการทำความเข้าใจปรากฏการณ์ที่สำคัญอื่นๆ เช่น การกัดกร่อนและไตรโบโลยี หรือปฏิสัมพันธ์ของพื้นผิวในการเคลื่อนที่ Mavrikakis กล่าวว่า "เรากำลังทบทวนสมมติฐานที่ได้รับการยอมรับอย่างดีในการทำความเข้าใจว่าตัวเร่งปฏิกิริยาทำงานอย่างไร และโดยทั่วๆ ไป โมเลกุลมีปฏิสัมพันธ์กับของแข็งอย่างไร" Mavrikakis กล่าว